專(zhuān)利名稱(chēng)：一種帶軸系統(tǒng)的兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在船只中的一種兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有一個(gè)軸系統(tǒng)，該軸系統(tǒng)包括至少一個(gè)曲軸和一個(gè)推進(jìn)器軸，該發(fā)動(dòng)機(jī)有多個(gè)汽缸以及一個(gè)最大連續(xù)額定速率(MCR)，發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系統(tǒng)有一個(gè)單節(jié)點(diǎn)扭振固有頻率。
對(duì)于這種推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)，術(shù)語(yǔ)MCR，最大連續(xù)額定速率，是傳統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)，表示發(fā)動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷(100％負(fù)荷)下運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)。對(duì)于這種直接與推進(jìn)器連接而沒(méi)有中間齒輪的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，提供具有下面這種設(shè)計(jì)的軸系統(tǒng)是困難的軸系統(tǒng)的長(zhǎng)度以離開(kāi)推進(jìn)器一個(gè)理想距離而通到發(fā)動(dòng)機(jī)的位置上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)室位于船尾，其允許空間只適于相對(duì)較短的軸系統(tǒng)時(shí)，該問(wèn)題特別明顯。軸相對(duì)較短導(dǎo)致剛性的軸系統(tǒng)具有相對(duì)較高的扭振固有頻率。通過(guò)將一個(gè)調(diào)諧輪連接到軸系統(tǒng)的前端上可以在一定的范圍內(nèi)對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，但是這將是很昂貴的，特別是如果該調(diào)諧輪屬于主動(dòng)式的液壓類(lèi)型(一種扭振阻尼器)時(shí)。
本發(fā)明的目的是提供一種軸系統(tǒng)，該系統(tǒng)相對(duì)于振動(dòng)，提供較大的自由度，以適應(yīng)在可用空間中的軸系統(tǒng)的長(zhǎng)度。
根據(jù)該目的，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)的特征是，帶推進(jìn)器的軸系統(tǒng)所具有的剛度使得其單節(jié)點(diǎn)的扭振模式的固有頻率在MCR×m的百分之80-110的范圍內(nèi)，MCR是發(fā)動(dòng)機(jī)的最大連續(xù)額定速率，m是一個(gè)在C/3≤m≤C-2的范圍內(nèi)的一個(gè)整數(shù)，C是發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)。
當(dāng)起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速到工作速度時(shí)，主振級(jí)(所謂的主臨界級(jí)，其頻率對(duì)應(yīng)著Cx轉(zhuǎn)數(shù)(rpm))迅速通過(guò)軸系統(tǒng)的固有頻率。有利的是軸系統(tǒng)的固有頻率大大低于C×即在MCR處的速度(rpm)。軸系統(tǒng)的剛度被用來(lái)控制軸系統(tǒng)的固有頻率，從而使之處于一定的區(qū)間內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)軸系統(tǒng)是剛性的，而不必像傳統(tǒng)那樣在軸系統(tǒng)上需要強(qiáng)力的主動(dòng)式阻尼器。
在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的數(shù)量為7，而m為4或3。這種組合特別有利，因?yàn)樗试S采用具有短軸系統(tǒng)的7缸推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)，例如讓曲軸直接連接到推進(jìn)器軸上而沒(méi)有用一個(gè)中間軸。
使來(lái)自非主臨界級(jí)的其它振動(dòng)級(jí)的扭振最小化也許是有利的，雖然這一點(diǎn)也可以由安裝在軸系統(tǒng)上的主動(dòng)式阻尼器做到，但是根據(jù)本發(fā)明，特別有利的是決定發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序，以此使得至少軸系統(tǒng)中的第m級(jí)的諧波扭振被減至最小，m是一個(gè)上述的整數(shù)。通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火順序來(lái)最小化在一個(gè)具體振動(dòng)狀態(tài)中選定的振動(dòng)級(jí)，這種計(jì)算方法可由如JP-A 7-91274和丹麥專(zhuān)利No.171687得知。最小化意味著主動(dòng)式阻尼器的尺寸可以減小，或者阻尼器可以變成更簡(jiǎn)單的類(lèi)型或者干脆完全被省略。
通過(guò)調(diào)整點(diǎn)火順序使得第m個(gè)扭振級(jí)最小化，帶有推進(jìn)器的軸系統(tǒng)的剛度使得其單節(jié)點(diǎn)扭振模式的固有頻率在MCR×m的百分之98-102的范圍內(nèi)。這樣，第m個(gè)扭振級(jí)在MCR處諧振，但這是允許的，因?yàn)樵撜駝?dòng)級(jí)已被最小化了，同時(shí)得到了其它振動(dòng)級(jí)盡可能地遠(yuǎn)離MCR這樣的好處。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)有七個(gè)汽缸，其點(diǎn)火角度范圍分別是，第1汽缸為359.5°-0.5°；第7汽缸為51.0°-52.0°；第2汽缸104°-105°；第5汽缸為152.5°-153.5°；第4汽缸為207.5°為-208.5°；第3汽缸為255.2°-256.4°；第6汽缸為309.7°-310.7°，汽缸的編號(hào)是從發(fā)動(dòng)機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端開(kāi)始計(jì)算為數(shù)1的。采用這樣的點(diǎn)火順序，第四級(jí)的扭振被強(qiáng)烈地最小化，以致軸系統(tǒng)的固有頻率除以4可能與MCR相對(duì)應(yīng)，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)地運(yùn)行在第四扭振級(jí)的諧振點(diǎn)。
現(xiàn)在，下面將參考高度示意性的草圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)的描述，其中

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明的十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，圖2是一個(gè)單節(jié)點(diǎn)扭振模式的曲線(xiàn)圖，圖3是扭振諧振點(diǎn)相對(duì)于一個(gè)7-汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)的MCR的位置的一個(gè)實(shí)例的曲線(xiàn)圖，
圖4是一個(gè)顯示圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序?qū)嵗氖疽鈭D，圖5是一個(gè)圖3所示發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系統(tǒng)的扭振曲線(xiàn)圖，和圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。
圖1描述了一個(gè)大型低速、大孔徑的十字頭型柴油型發(fā)動(dòng)機(jī)1，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以使用如油和/或氣作為燃料。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是眾所周知的，而且它可以是，例如至少有五個(gè)汽缸的、本申請(qǐng)人的MC類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)。汽缸的孔徑例如是在24到100cm的范圍內(nèi)，各缸的輸出功率在300到6000kW或更大的范圍內(nèi)。該發(fā)動(dòng)機(jī)典型為直列式發(fā)動(dòng)機(jī)，但也可以是雙排直列式發(fā)動(dòng)機(jī)或Ⅴ-型發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系統(tǒng)包括一個(gè)曲軸2，曲軸2連接到一根帶推進(jìn)器4的推進(jìn)器軸3上，優(yōu)選地直接或通過(guò)至少一根中間軸5與推進(jìn)器軸3相連。如果更理想一點(diǎn)，可以將一個(gè)連軸節(jié)插入到曲軸和推進(jìn)器軸之間。如果推進(jìn)器是可變間距的CCP型，那么可以將一根油分配器軸6設(shè)置于曲軸和推進(jìn)器軸之間，通過(guò)該軸6，液壓流體可以輸送到推進(jìn)器或從推進(jìn)器排出，以便調(diào)整其間距。
圖2顯示的是具有剛性軸系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)中的第一級(jí)扭振模式。阿拉伯?dāng)?shù)字1到7顯示發(fā)動(dòng)機(jī)中汽缸的位置，而P表示推進(jìn)器4的位置。描繪出的曲線(xiàn)d顯示在振動(dòng)模式下產(chǎn)生的相對(duì)扭轉(zhuǎn)，即在此所討論的軸向位置的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)除以軸的最大扭轉(zhuǎn)。曲線(xiàn)d和水平軸的交點(diǎn)k顯示了扭振的節(jié)點(diǎn)位置。很明顯，曲線(xiàn)d僅適用于一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響著該曲線(xiàn)的走向和k的位置。
圖3顯示了一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)例，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有七個(gè)汽缸，其MCR為145rpm。推進(jìn)器為固定間距的FP型。軸系統(tǒng)有一個(gè)n=580rpm的單節(jié)點(diǎn)(圖2)扭振模式的固有頻率。單節(jié)點(diǎn)扭振模式的振動(dòng)作用由來(lái)自各汽缸的隨時(shí)間變化的轉(zhuǎn)矩作用所組成。在公知方法中，這些振動(dòng)作用可以被分解成諧波分量，對(duì)于其每一級(jí)來(lái)說(shuō)，都有一個(gè)諧振點(diǎn)，即一個(gè)速度(rpm)，在此速度下該振動(dòng)級(jí)與軸系統(tǒng)的固有頻率諧振。各諧波振動(dòng)級(jí)的諧振點(diǎn)都位于580/n的速度(rpm)處，n是現(xiàn)有級(jí)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)有七個(gè)汽缸，主臨界振動(dòng)級(jí)是第七級(jí)，因此，與MCR相對(duì)應(yīng)，其諧振點(diǎn)位于82.9rpm，同時(shí)第四振動(dòng)級(jí)的諧振點(diǎn)位于145rpm處。如果將軸系統(tǒng)做得剛度更大，比如將軸設(shè)計(jì)成具有更大的直徑或更短的長(zhǎng)度，其固有頻率將更高，這將使得諧振點(diǎn)向圖3中的右邊移動(dòng)。因此，這些是可能的將軸系統(tǒng)做得更加柔軟，比如采用具有更高強(qiáng)度的軸材料，并且將軸設(shè)計(jì)成更小的直徑，從而軸系統(tǒng)的固有頻率將變低，這使得諧振點(diǎn)向圖3中的左邊移動(dòng)。
圖3還顯示了第四級(jí)的扭振位于區(qū)間r和區(qū)間R之中，其中區(qū)間r大于0.8×MCR，并且小于1.1×MCR，而區(qū)間R大于0.98×MCR，并且小于1.02×MCR。這樣，軸系統(tǒng)的固有頻率既位于MCR×4的百分之80到110的區(qū)間內(nèi)，也位于MCR×4的百分之98到102的區(qū)間內(nèi)。
當(dāng)要確定發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序時(shí)，汽缸的參數(shù)是已知的，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)一些選擇的計(jì)算邊界條件計(jì)算最佳點(diǎn)火順序。以上述具有這種剛度的軸系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的例子為基礎(chǔ)，MCR位于第四扭振級(jí)的諧振點(diǎn)處，最小化該第四級(jí)扭振就可以被選為邊界條件?？刹捎蒙鲜龅娜毡旧暾?qǐng)的計(jì)算方法和/或推進(jìn)器軸系統(tǒng)中的扭振計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)軟件，如來(lái)自MAN B&W Diesel A/S的GTORSI。圖4顯示優(yōu)化到一個(gè)角度的七缸發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序，其中第四扭振級(jí)被完全忽略。點(diǎn)火角度分別為第1汽缸為0°；第7汽缸為51.5°；第2汽缸104.5°；第5汽缸為153°；第4汽缸為208°；第3汽缸為255.9°；第6汽缸為310°。對(duì)于這種點(diǎn)火順序，圖5顯示了來(lái)自扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力大小，可以看到應(yīng)力大小在速度為83rpm的周?chē)芨?，即此處位于主臨界第七扭振級(jí)的諧振點(diǎn)，同時(shí)從第四、第五、第六扭振級(jí)中沒(méi)有顯著的作用。對(duì)于高于160rpm的速度，對(duì)應(yīng)著來(lái)自第三扭振級(jí)的重大作用，該曲線(xiàn)顯示向上的走向，但是這些作用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作來(lái)說(shuō)不重要，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的工作速度不超過(guò)160rpm?？紤]到在83rpm附近的應(yīng)力表現(xiàn)，眾所周知，可以設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，使其在83rpm附近的速度區(qū)間內(nèi)連續(xù)工作是不可能的，但是，在起動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以加速通過(guò)該區(qū)間，從而達(dá)到一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速，在這此較高的轉(zhuǎn)速下可以連續(xù)工作。
圖6所示的發(fā)動(dòng)機(jī)1有七個(gè)汽缸(C=7)，并且在曲軸的前端提供了一個(gè)從動(dòng)型的諧調(diào)輪7。發(fā)動(dòng)機(jī)的孔徑為350mm，在170rpm的MCR處和當(dāng)推進(jìn)器為全間距時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為4300kW。在其尾端，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸帶有一個(gè)諧調(diào)輪8，并且通過(guò)中間軸5、油分配器軸6和推進(jìn)器軸3，它被連接到CCP推進(jìn)器4上。實(shí)心的中間軸長(zhǎng)度為0.5m，外徑為330mm，扭轉(zhuǎn)柔度為5.1nrad/Nm?？招牡挠头峙淦鬏S長(zhǎng)度為1.3m，外徑為380mm，內(nèi)徑為120mm，而其扭轉(zhuǎn)柔度為7.8nrad/Nm?？招牡耐七M(jìn)器軸長(zhǎng)度為4.5m，外徑為350mm，內(nèi)徑為120mm，而其扭轉(zhuǎn)柔度為37.7nrad/Nm。軸系統(tǒng)的扭振固有頻率為684cpm。推進(jìn)器軸的長(zhǎng)度主要由比尾管長(zhǎng)的要求所決定。
發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序分別為第1汽缸為0°；第7汽缸為51.5°；第2汽缸104.5°；第5汽缸為153.0°；第4汽缸為208.0°；第3汽缸為255.5°；第6汽缸為310.0°。采用這種點(diǎn)火順序，來(lái)自扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的應(yīng)力大小具有如圖5所示的一個(gè)相對(duì)應(yīng)的優(yōu)化曲線(xiàn)，其應(yīng)力在MCR周?chē)艿汀?br> 本發(fā)明相應(yīng)地可應(yīng)用于其它數(shù)量汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)上，如5、6、8、9、10或11個(gè)汽缸的發(fā)動(dòng)機(jī)，其中很短的軸系統(tǒng)是理想的。
為了能夠?qū)⒁粋€(gè)推進(jìn)器發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接到船的更尾部處的推進(jìn)器上，而不受到軸系統(tǒng)的嚴(yán)重扭振，根據(jù)本發(fā)明，帶推進(jìn)器的軸系統(tǒng)所具有的剛度使得1-節(jié)點(diǎn)的扭振模式的固有頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)的每分鐘轉(zhuǎn)速的m倍的80-110％的范圍內(nèi)，其中m是一個(gè)在C/3到C-2范圍內(nèi)的整數(shù)，而C是發(fā)動(dòng)機(jī)中汽缸的數(shù)量。
權(quán)利要求
1. 一種船用兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)(1)，該發(fā)動(dòng)機(jī)具有一個(gè)軸系統(tǒng)，該軸系統(tǒng)至少包括一個(gè)曲軸(2)和一個(gè)推進(jìn)器軸，該發(fā)動(dòng)機(jī)有多個(gè)汽缸(C)以及一個(gè)最大連續(xù)額定速率(MCR)，發(fā)動(dòng)機(jī)的軸系統(tǒng)有一個(gè)單節(jié)點(diǎn)扭振固有頻率。其特征在于帶推進(jìn)器(4)的軸系統(tǒng)具有的剛度使得其單節(jié)點(diǎn)的扭振模式的固有頻率在MCR×m的百分之80-110的范圍內(nèi)，MCR是發(fā)動(dòng)機(jī)的最大連續(xù)額定速率，m是在C/3≤m≤C-2的范圍內(nèi)的一個(gè)整數(shù)，C是發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于汽缸的數(shù)量(C)為7，m為4或3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于確定該發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序，這樣至少使得軸系統(tǒng)中的第m級(jí)諧波扭振被最小化，m是一個(gè)上述的整數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于帶推進(jìn)器(4)的軸系統(tǒng)具有的剛度使得其單節(jié)點(diǎn)的扭振模式的固有頻率在MCR×m的百分之98-102的范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2到4的任一權(quán)利要求的兩沖程十字頭型發(fā)動(dòng)機(jī)，其特征在于發(fā)動(dòng)機(jī)(1)有七個(gè)汽缸，其點(diǎn)火角度范圍分別是第1汽缸為359.5°-0.5°；第7汽缸為51.0°-52.0°；第2汽缸104.0°-105.0°；第5汽缸為152.5°-153.5°；第4汽缸為207.5°為-208.5°；第3汽缸為255.2°-256.4°；第6汽缸為309.7°-310.7°，汽缸的編號(hào)是從發(fā)動(dòng)機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端開(kāi)始算做編號(hào)1。
全文摘要
一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)(1)的軸系統(tǒng)至少包括一個(gè)曲軸(2)和一個(gè)推進(jìn)器軸(3)。帶推進(jìn)器(4)的軸系統(tǒng)具有的剛度使得其單節(jié)點(diǎn)的扭振模式的固有頻率在MCR×m的百分之80—110的范圍內(nèi),MCR是發(fā)動(dòng)機(jī)的最大連續(xù)額定速率,m是一個(gè)在C/3≤m≤C－2的范圍內(nèi)的一個(gè)整數(shù),C是發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸數(shù)。
文檔編號(hào)F16F15/00GK1296120SQ00133790
公開(kāi)日2001年5月23日 申請(qǐng)日期2000年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月12日
發(fā)明者斯蒂·B·雅各布森 申請(qǐng)人:曼B與W狄賽爾公司